Электронный и дырочный тип проводимости

Переход электрона в зону проводимости является кратковременным процессом. После этого электрон возвращается в валентную зону. Поэтому собственная проводимость полупроводников очень мала. Чтобы повысить её, а также, чтобы получить приборы с нелинейной проводимостью в полупроводники вводят примеси, отличающиеся от исходного материала

Добавление к кристаллам IV группы атомов III или V группы (такой процесс называется «легирование») существенно изменяет картину проводимости полупроводника.

Допустим, что в кристаллическую решетку четырехвалентного Германия внесены атомы пятивалентного фосфора Р. Каждый атом Ge связан ковалентными связями с соседними атомами. Замещение атома германия атомом Фосфора приводит к тому, что один из валентных электронов не находит пары для образования ковалентной связи. Этот электрон образует оболочку называемую «Примесный ион», которая охватывает несколько соседних атомов решетки. В его движении влияние решетки выражается в замене массы на эффективную массу. Энергия взаимодействия иона с примесью значительно уменьшается, и чтобы оторвать электрон ему достаточно сообщить энергию всего 0,01эВ. чтобы оторвать от атома примеси и превратить в свободный электрон. Уровень Ферми, т.е. уровень энергии которую с большой вероятностью имеют половина электронов примеси располагается на 0,01эВ ниже зоны проводимости ( см. рис. 1.4.

Этой энергии достаточно, чтобы даже при небольшом внешнем электрическом поле возник электрический ток. Аналогичный процесс происходи и с акцепторной примесью, за исключением того, что уровень Ферми дырочного полупроводника лежит ближе к валентной зоне (на рис3.4), а перемещение дырок происходит в валентной зоне.

Таким образом, в акцепторных и дырочных полупроводниках обеспечивается электронная или дырочная электропроводность. величина которой значительно превышает электропроводность собственного полупроводника. В дырочном проводнике превалируют дырки, однако есть и электроны в небольшом количестве. Такие носители называются «неосновными».

2.4. Образование Р-N перехода

Контакт двух полупроводников имеющих разный тип проводимости P и N , при котором основная структура кристалла не нарушается, называется переходом. Иногда употребляют термин «Электронно-дырочный переход»

Соединить просто два полупроводника с разным типом проводимости невозможно или очень сложно (вследствие больших дефектов в зоне контакта). Поэтому должен быть создан один кристалл с непрерывной кристаллической решеткой, в которой область дырочной проводимости сменяется электронной. Иногда эту поверхность раздела называют металлургической границей. В зависимости от скорости по расстоянию (градиент) концентрации, переходы бывают резкие и плавные. В зависимости от степени легирования Р и N области переходы могут быть симметричными и несимметричными.

Рассмотрим образование симметричного P-N перехода.

До соединения частей с Pи N проводимостью зонные диаграммы были неодинаковы, так как уровень Ферми электронного полупроводника ближе к зоне проводимости, а у дырочного - ближе к валентной зоне (рис. 3.4.)

При соединении областей (выращивании структуры) картина меняется. Как только в одной кристаллической решетке в одном месте возникает избыток электронов, а в другой избыток дырок, то сразу возникает диффузионный ток (см. выше). Дырки стремятся равномерно распределиться по всему кристаллу и диффундируют в n- область, а электроны вследствие диффузии проникают в область дырок (как и прежде следует заметить, что это только диффузия заряженных частиц, а не атомов)

перехода, в которой диффузионный и дрейфовый токи равны. Аналогичный процесс происходит с дырками. На рис.3.5. представлено начало процесса перехода электронов и дырок в смежные области, где они являются неосновными.

Однако полного выравнивания не происходит. Уйдя в Р - область, электроны оставляют на месте, в узлах кристаллической решетки ядра примести с избыточным положительным зарядом. Пока электрон был рядом, этот заряд компенсировался. Теперь же «оголенные» ядра атомов примеси тянут электроны обратно (возникает дрейфовый ток). В итоге образуется узкая зона, в которой электроны, попавшие в дырочную область ре комбинировали с дырками, т.е. перешли на валентный уровень и перестали быть свободными носителями заряда. Аналогичный процесс произошел и с дырками. (рис.3.6.)

*Примечание: конечно нельзя считать дрейф и диффузию силами, так как они предполагают перемещение электронов. Однако для условности можно принять, что электрон в зоне перехода стоит на месте

На рис.3.6. представлена энергетическая и потенциальная диаграмма а также структура перехода. При этом уровни Ферми становятся одинаковыми, (вследствие равенства термодинамического равновесия единого вещества) а энергетические зоны искривляются.

При подаче на P-N переход внешнего напряжение можно уменьшать или увеличивать потенциальный барьер, образовавшийся естественным способом за счет диффузии. Если Р- область подключить к положительному полюсу, а N - область – к отрицательному, то такое включение перехода называется прямым, или пропускным. При этом величина внутреннего потенциального барьера уменьшится на величину приложенного напряжения. При этом создаются условия для диффузии дырок и электронов в смежные области, т.е. через переход течет ток. При обратном подключении потенциальный барьер увеличивается, обедненная зона расширяется и ток уменьшается (проводимость падает).